JP2005228906A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波デバイスとして用いられる半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device used as a high-frequency device and a manufacturing method thereof.
従来より、携帯電話や無線LANの基地局などを対象とした高周波用途の出力トランジスタが開発されている。例えば、500MHzから5GHzのマイクロ波帯の高周波出力トランジスタとしては、GaAsFETが多く使われているが、最近のシリコンLSI技術の進歩に伴い、GaAsFETよりも安価で高品質ないわゆるシリコンLDMOS(Laterally Diffused MOS)トランジスタに替わりつつある。 Conventionally, output transistors for high-frequency applications for mobile phones and wireless LAN base stations have been developed. For example, GaAsFET is often used as a high-frequency output transistor in the microwave band from 500 MHz to 5 GHz. With recent advances in silicon LSI technology, so-called silicon LDMOS (Laterally Diffused MOS), which is cheaper and higher quality than GaAsFET. ) Transistors are being replaced.
従来のLDMOSトランジスタの概略構成を図6に示す。
図示のように、p-/p+/p-型のシリコン半導体基板101上にゲート絶縁膜102を介して電極形状の多結晶シリコン膜111及びその上層にWシリサイド膜112がパターン形成されており、これらを覆うように層間絶縁膜103が形成されている。半導体基板1の表層には、n型不純物が導入されてなるソース拡散層103及びn+ドレイン拡散層104が形成されており、n+ソース拡散層104及びn+ドレインコンタクト層105の間にn+ドレインコンタクト層105と接続されてなる高周波耐性を確保するためのnードリフト層106が形成されている。更にこの表層には、ソース拡散層104を覆うようにp-チャネル拡散層107及びこれと接続される基板コンタクト拡散層108が形成されている。
A schematic configuration of a conventional LDMOS transistor is shown in FIG.
As shown in the figure, an electrode-shaped
層間絶縁膜103には、開孔109,110が形成されている。開孔109はn+ドレインコンタクト層105の表面の一部を露出するように形成されており、開孔110はソース拡散層104の表面の一部及び基板コンタクト拡散層108の表面の一部を露出するように形成されている。そして、層間絶縁膜103上で開孔109を下地膜113を介して埋め込みn+ドレインコンタクト層105と電気的に接続されてなるドレイン電極121と、層間絶縁膜103上で開孔110を下地膜113を介して埋め込みソース拡散層104と電気的に接続されてなるソース電極122と、層間絶縁膜103上で下地膜113を介してWシリサイド膜112及び多結晶シリコン膜111と電気的に接続されてなる上部電極123が設けられ、LDMOSトランジスタが構成される。ここで、ドレイン電極121、ソース電極122、及び上部電極123はアルミニウムまたはその合金を材料としており、多結晶シリコン膜111、Wシリサイド膜112、及び上部電極123からゲート電極124が構成されている。
高周波用途の出力トランジスタの性能指標は、高周波動作限界を占う最大発信周波数fmaxと電力利得である。fmax向上のためにはゲート寄生抵抗を低減する必要があり、電力利得を向上させるためにはゲート電極とドレイン電極間の寄生容量Cgdを低減しなくてはならない。 The performance index of an output transistor for high frequency applications is the maximum transmission frequency f max and the power gain that occupy the high frequency operation limit. In order to improve f max , it is necessary to reduce the gate parasitic resistance, and in order to improve the power gain, the parasitic capacitance C gd between the gate electrode and the drain electrode must be reduced.
高周波電力増幅器では、より効果的な電波を発するため、当該増幅器に加えられた電力に対して出力される電波の電力を向上させる必要がある。特に電池を電源とする携帯電話では極めて重要な課題である。高効率で高周波動作を可能にするには、寄生抵抗、寄生容量を徹底的に削減する必要がある。性能指標である遮断周波数fTは、(1)式で示すように寄生容量に強く依存している。また最大発信周波数fmaxは、(2)式に示すようにゲート寄生抵抗に依存している。 In a high frequency power amplifier, in order to emit a more effective radio wave, it is necessary to improve the power of the radio wave output relative to the power applied to the amplifier. This is a particularly important issue for mobile phones that use batteries as a power source. In order to enable high-frequency operation with high efficiency, it is necessary to thoroughly reduce parasitic resistance and parasitic capacitance. The cut-off frequency f T that is a performance index strongly depends on the parasitic capacitance as shown by the equation (1). Further, the maximum transmission frequency f max depends on the gate parasitic resistance as shown in the equation (2).
fT=gm/{2π(Cgs+Cds)} ・・・(1)
(gm:相互コンダクタンス、Cgs:ゲートーソース間寄生容量、Cds:ドレインーソース間寄生容量)
fmax=fT/{2(Rg・Gd)1/2} ・・・(2)
(Rg:ゲート寄生抵抗、Gd:ドレインコンダクタンス)
f T = g m / {2π (C gs + C ds )} (1)
(G m : mutual conductance, C gs : gate-source parasitic capacitance, C ds : drain-source parasitic capacitance)
f max = f T / {2 (Rg · Gd) 1/2 } (2)
(Rg: gate parasitic resistance, Gd: drain conductance)
寄生容量Cgs,Cdsは遮断周波数fTを阻害し、ゲート寄生抵抗Rgは最大発信周波数fmaxを阻害する。
従来では図6に示すように、多結晶シリコン膜111とWシリサイド膜112とを積層したゲート構造を採るため、ゲート寄生抵抗Rgは約10Ω/□となり、このゲート寄生抵抗Rgの低減には制限があった。そしてこのゲート寄生抵抗Rgは、ゲート長を短くするほど顕著となり、その低減が高周波動作に対する課題であった。また、ゲート電極の多結晶シリコン側に空乏層が広がり相互コンダクタンスgmが低下することも高周波動作を阻害していた。
The parasitic capacitances C gs and C ds inhibit the cutoff frequency f T , and the gate parasitic resistance Rg inhibits the maximum transmission frequency f max .
Conventionally, as shown in FIG. 6, since a gate structure in which a
高周波用途の出力トランジスタでは、その高性能化のためには、ゲート寄生抵抗を極限まで低くすることが求められているものの、これを実現すべく開発されたLDMOSトランジスタでも、上記の如き問題がある。 Output transistors for high-frequency applications require gate parasitic resistance to be as low as possible in order to improve performance, but LDMOS transistors developed to achieve this have the above-mentioned problems. .
本発明は、上記の課題を解決すべくなされたものであり、fmaxと電力利得の双方を向上させ、携帯電話や無線LANに代表される高周波電力増幅器の基本素子として、高効率で高周波動作を可能とする高性能のLDMOSトランジスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, improves both f max and power gain, and is a high-efficiency, high-frequency operation as a basic element of a high-frequency power amplifier typified by a mobile phone or a wireless LAN. It is an object of the present invention to provide a high-performance LDMOS transistor and a method for manufacturing the same.
本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側における前記半導体基板の表層に形成されてなる一対の不純物拡散層と、前記ゲート電極と一方の前記不純物拡散層との間における前記半導体基板の表層に、前記不純物拡散層と同一の導電型として形成されてなるドリフト層と、を含み、前記ゲート電極は、アルミニウムを含む金属を材料としてオーバーハング形状に形成されてなる。 The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a gate electrode formed above the semiconductor substrate, a pair of impurity diffusion layers formed on a surface layer of the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode, and the gate electrode And a drift layer formed as the same conductivity type as the impurity diffusion layer in a surface layer of the semiconductor substrate between the impurity diffusion layer and one of the impurity diffusion layers, and the gate electrode is made of a metal containing aluminum. It is formed in an overhang shape.
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して電極形状の多結晶シリコン膜を形成する工程と、前記半導体基板に表層に不純物を導入して、一対の不純物拡散層及びドリフト層をそれぞれ形成する工程と、前記多結晶シリコン膜を覆うように、前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜の表層を除去して前記多結晶シリコン膜の上面を露出させる工程と、前記各不純物拡散層の表面の一部をそれぞれ露出させるように、前記層間絶縁膜に開孔を形成する工程と、前記各開孔を埋め込むように、前記層間絶縁膜上にアルミニウムを含む金属膜を形成する工程と、多結晶シリコンとアルミニウムとを選択的に置換反応させ、前記層間絶縁膜内の前記多結晶シリコン膜の形成部位を前記金属膜の材料で充填する工程と、前記金属膜を加工して、前記各不純物拡散層とそれぞれ接続されてなる一対の電極と、前記金属膜の材料で一体形成されてなるゲート電極とをそれぞれ形成する工程とを含む。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes: a step of forming an electrode-shaped polycrystalline silicon film on a semiconductor substrate through a gate insulating film; And a step of forming a drift layer, a step of forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the polycrystalline silicon film, and removing a surface layer of the interlayer insulating film to form the polycrystalline silicon film Exposing the upper surface; forming an opening in the interlayer insulating film so as to expose a part of the surface of each impurity diffusion layer; and filling the interlayer insulating film so as to embed each opening. A step of forming a metal film containing aluminum thereon, and a selective substitution reaction between polycrystalline silicon and aluminum, and the formation site of the polycrystalline silicon film in the interlayer insulating film is a material of the metal film And a step of processing the metal film to form a pair of electrodes respectively connected to the impurity diffusion layers and a gate electrode formed integrally with the material of the metal film. including.
本発明によれば、fmaxと電力利得の双方を向上させ、携帯電話や無線LANに代表される高周波電力増幅器の基本素子として、高効率で高周波動作を可能とする高性能のLDMOSトランジスタが実現する。 According to the present invention, a high-performance LDMOS transistor capable of high-frequency operation with high efficiency is realized as a basic element of a high-frequency power amplifier typified by a mobile phone or a wireless LAN by improving both f max and power gain. To do.
−本発明の基本骨子−
本発明者は、LDMOSトランジスタにおいてfmaxと電力利得の双方の向上を実現すべく、LDMOSトランジスタのゲート電極材料の改良に考察した。従来のLDMOSトランジスタのゲート電極では、その構成上、ゲート電極の下部層を多結晶シリコンを用いてパターン形成していたため、その寄生抵抗及び寄生容量の低減には限界があった。本発明者は、ゲート電極を全てアルミニウム(Al)(またはその合金:以下、同様の意味でAlと記す。)から構成することに想到した。ゲート材料を全てAlとすることにより、ゲート寄生抵抗が約1/50となり大きな改良が可能となる。また同時に、空乏層のゲート電極部位への広がりが全く無くなり、チャネル移動度が約1.2倍に向上する。
-Basic outline of the present invention-
The present inventor has considered the improvement of the gate electrode material of the LDMOS transistor in order to realize both the f max and the power gain in the LDMOS transistor. In the conventional gate electrode of an LDMOS transistor, the lower layer of the gate electrode is patterned by using polycrystalline silicon because of its configuration, and thus there is a limit to the reduction of parasitic resistance and parasitic capacitance. The present inventor has conceived that the gate electrode is entirely made of aluminum (Al) (or an alloy thereof: hereinafter referred to as Al in the same meaning). By making all the gate material Al, the gate parasitic resistance becomes about 1/50 and a great improvement is possible. At the same time, the depletion layer does not spread to the gate electrode portion, and the channel mobility is improved by about 1.2 times.
そして、上記のゲート電極を実現すべく、多結晶シリコンとAl間における置換反応を利用する。即ち、先ず従来と同様に多結晶シリコン膜をパターン形成し、層間絶縁膜上に多結晶シリコン膜と接触するようにAl膜を形成した後、熱処理することにより、層間絶縁膜内の多結晶シリコン膜をAlで置換する。これをパターニングすることにより、ゲート寄生抵抗の低く移動度の高いAlからなるゲート電極が形成される。 In order to realize the gate electrode, a substitution reaction between polycrystalline silicon and Al is used. That is, first, a polycrystalline silicon film is patterned in the same manner as in the prior art, an Al film is formed on the interlayer insulating film so as to be in contact with the polycrystalline silicon film, and then heat treatment is performed, so that the polycrystalline silicon in the interlayer insulating film is formed. Replace the film with Al. By patterning this, a gate electrode made of Al with low gate parasitic resistance and high mobility is formed.
また、ゲート電極の形成と同じプロセスにより、ゲート電極と一方の電極(ドレイン電極)との間に、Alからなるシールド層を形成する。このシールド層は、更なる高周波性能の向上を図るためのものであり、ゲート電極のパターンの他にゲート電極とドレイン電極の間にもう1つ当該シールド電極のパターンをマスク内に設けることで全く工程を追加せずに形成することができ、非常に精度良くゲート電極とシールド層との間隔を規定できると共に、シールド層形成のための導電膜のスパッタ、フォトエッチング、絶縁膜成長などの製造工程の簡略化が可能とする。 In addition, a shield layer made of Al is formed between the gate electrode and one electrode (drain electrode) by the same process as the formation of the gate electrode. This shield layer is intended to further improve the high-frequency performance, and in addition to the gate electrode pattern, another shield electrode pattern is provided in the mask between the gate electrode and the drain electrode. It can be formed without additional processes, and the gap between the gate electrode and the shield layer can be defined with very high accuracy, and the manufacturing process such as sputtering of the conductive film, photoetching, and growth of the insulating film for forming the shield layer Can be simplified.
−本発明の具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用する好適な諸実施形態について説明する。本実施形態では、LDMOSトランジスタの構成をその製造方法と共に述べる。
-Specific embodiments of the present invention-
Hereinafter, preferred embodiments to which the present invention is applied will be described. In the present embodiment, the configuration of the LDMOS transistor will be described together with its manufacturing method.
(第1の実施形態)
図1及び図2は、第1の実施形態によるLDMOSトランジスタの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図1(a)に示すように、p-/p+/p-型のシリコン半導体基板1上に所定のフォトマスク(不図示)を形成し、これをマスクとして半導体基板1の表層にp型不純物、ここではホウ素(B)を加速エネルギー60keV、ドーズ量2×1015/cm2の条件でイオン注入し、前記フォトマスクを灰化処理等により除去した後、半導体基板1に1100℃で30分間の熱処理を加えることにより、基板コンタクト層2を形成する。
(First embodiment)
1 and 2 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the LDMOS transistor according to the first embodiment in the order of steps.
First, as shown in FIG. 1A, a predetermined photomask (not shown) is formed on a p − / p + / p − type
続いて、図1(b)に示すように、熱酸化法により半導体基板1の表面に膜厚10nm程度のゲート絶縁膜3を形成する。引き続き、CVD法により多結晶シリコン膜4を堆積し、フォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより多結晶シリコン膜4を電極形状に加工する。
Subsequently, as shown in FIG. 1B, a
続いて、図1(c)に示すように、シリコン半導体基板1上に所定のフォトマスク(不図示)を形成し、多結晶シリコン膜4の片側のみにおける半導体基板1の表層にp型不純物、ここではホウ素(B)を加速エネルギー30keV、ドーズ量2×1013/cm2の条件でイオン注入し、前記フォトマスクを灰化処理等により除去した後、半導体基板1に1000℃で30分間の熱処理を加えることにより、p-チャネル拡散層6を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1C, a predetermined photomask (not shown) is formed on the
引き続き、シリコン半導体基板1上に所定のフォトマスク(不図示)を形成し、半導体基板1の表層にn型不純物、ここではリン(P)を加速エネルギー120keV、ドーズ量2×1015/cm2の条件でイオン注入し、前記フォトマスクを灰化処理等により除去した後、1000℃で30分間の熱処理を半導体基板1に加えることにより、n+ドレインコンタクト層5を形成する。
Subsequently, a predetermined photomask (not shown) is formed on the
続いて、図1(d)に示すように、シリコン半導体基板1上に所定のフォトマスク(不図示)を形成し、半導体基板1の表層にn型不純物、ここではリン(P)を加速エネルギー60keV、ドーズ量3×1012/cm2の条件でイオン注入し、前記フォトマスクを灰化処理等により除去した後、950℃で30分間の熱処理を半導体基板1に加えることにより、nードリフト層8を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1D, a predetermined photomask (not shown) is formed on the
引き続き、シリコン半導体基板1上に所定のフォトマスク(不図示)を形成し、半導体基板1の表層にn型不純物、ここでは砒素(As)を加速エネルギー30keV、ドーズ量3×1015/cm2の条件でイオン注入し、前記フォトマスクを灰化処理等により除去した後、900℃で30分間の熱処理を半導体基板1に加えることにより、n+ソース拡散層7を形成する。
Subsequently, a predetermined photomask (not shown) is formed on the
続いて、図1(e)に示すように、半導体基板1上に多結晶シリコン膜4を覆うように、CVD法によりシリコン酸化膜を膜厚600nm程度に堆積し、層間絶縁膜9を形成する。このとき、層間絶縁膜9の多結晶シリコン膜4の上部に相当する部分が他の部分より200nm程度盛り上がる。
Subsequently, as shown in FIG. 1E, a silicon oxide film is deposited to a thickness of about 600 nm by the CVD method so as to cover the
続いて、図1(f)に示すように、層間絶縁膜9の表面を多結晶シリコン膜4の上面が露出するまで化学機械研磨(CMP)法により研磨する。通常、多結晶シリコン膜とアルミニウムとを反応させる部分の絶縁膜を取り除くときには、フォトエッチングを用いるのが一般的である。その場合、フォトリソグラフィーの位置合わせズレにより多結晶シリコン膜の上部以外の絶縁膜がエッチングされてしまい、良好なデバイス構造が得られない。本実施形態では、上述のようにCMP法を用いることにより、フォトエッチングを要することなく自己整合的に多結晶シリコン膜4の上面を露出させることができる。なお、CMP法の替わりに、層間絶縁膜9の多結晶シリコン膜4の上部に相当する部位を一様にエッチングする方法を用いても良い。
Subsequently, as shown in FIG. 1F, the surface of the
続いて、図2(a)に示すように、層間絶縁膜9にフォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングを施し、n+ドレインコンタクト層5の表面の一部を露出させるドレインコンタクト孔10と、n+ソース拡散層7の表面の一部及び基板コンタクト層2の表面の一部を露出させるソースコンタクト孔11をそれぞれ形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 2A, the
引き続き、ドレインコンタクト孔10の内壁面及びソースコンタクト孔11の内壁面を覆うように、層間絶縁膜9上にTiN膜を成膜し、下地膜(バリアメタル膜)12を形成する。
Subsequently, a TiN film is formed on the
ここで従来より、バリアメタル膜はコンタクト孔の部分でアルミニウムとシリコンとの反応を防止するバリアメタルとして広く用いられている。しかしながら本実施形態では、後述するように多結晶シリコンをアルミニウムに置換する部分ではバリアメタル膜が障害となる。そこで、図2(b)に示すように、バリアメタル膜12にフォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングを施し、バリアメタル膜12の多結晶シリコン膜4の上面に相当する部位を除去し、当該上面のみを露出させる開孔13を形成する。
Heretofore, the barrier metal film has been widely used as a barrier metal for preventing the reaction between aluminum and silicon at the contact hole. However, in this embodiment, as will be described later, the barrier metal film becomes an obstacle at the portion where polycrystalline silicon is replaced with aluminum. Therefore, as shown in FIG. 2B, the
続いて、図2(c)に示すように、スパッタ法により全面にAl膜14を膜厚1000nm程度に形成する。このとき、開孔13のみにおいて多結晶シリコン膜4とAl膜14とが直接接触することになる。そして、450℃で60分間の熱処理により、多結晶シリコン膜4とAl膜14とを置換反応させる。これにより、多結晶シリコン膜4が吸い出されると共に、層間絶縁膜9の多結晶シリコン膜4の形成部位にAlが侵入し、多結晶シリコン膜4がAl膜20に置き換わる。このように、多結晶シリコン膜4に相当する部分のみのバリアメタル膜12を除去することにより、他の部分には置換反応が惹起されることなくゲート部分のみに多結晶シリコンとアルミニウムとの置換反応が惹起される。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, an
続いて、図2(d)に示すように、Al膜14及びバリアメタル膜12をフォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングによりパターニングし、バリアメタル膜12を介してドレインコンタクト孔10を埋め込むオーバーハング形状のドレイン電極21と、バリアメタル膜12を介してソースコンタクト孔11を埋め込むオーバーハング形状のソース電極22と、Al膜20と上部電極15とが接続された全てAlからなるオーバーハング形状のゲート電極23とをそれぞれ同時形成する。ここで、トランジスタのレイアウト上、ゲート電極23とドレイン電極21との距離はゲート電極23とソース電極22との距離よりも大きいため、ゲート電極23の上部電極15を、図示のようにドレイン電極21側に偏って延在する非対称形状に形成する。このように、上記の置換反応に用いたAl膜14をそのまま残して各種電極に用いるため、製造プロセスが極めて容易となり、製造コストの低減にもつながる。
Subsequently, as shown in FIG. 2D, the
しかる後、電極保護膜やボンディング部(共に不図示)等の形成を経て、本実施形態のLDMOSトランジスタを完成させる。 Thereafter, an LDMOS transistor of this embodiment is completed through formation of an electrode protective film, a bonding portion (both not shown), and the like.
本実施形態のLDMOSトランジスタにおいて、ゲート寄生抵抗が図6に示す従来構成に比して1/10に激減する。また、チャネル移動度は約20%向上する。これらの効果により、高周波動作の指標である最大発信周波数fmaxは、20GHzから50GHzへと約2.5倍に向上する。図3は、ゲート抵抗と最大発信周波数との関係を示す特性図である。なお、上述の(1)式及び(2)式にて期待される値より低い理由は、これらの近似式に含めたパラメータ以外の要素に制限されたためである。 In the LDMOS transistor of this embodiment, the gate parasitic resistance is drastically reduced to 1/10 compared to the conventional configuration shown in FIG. In addition, the channel mobility is improved by about 20%. With these effects, the maximum transmission frequency f max that is an index of high-frequency operation is improved by about 2.5 times from 20 GHz to 50 GHz. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the gate resistance and the maximum transmission frequency. The reason why the value is lower than the value expected in the above formulas (1) and (2) is that the elements are limited to elements other than the parameters included in these approximate formulas.
従来では、ゲート電極がポリサイドからなるため、ゲート寄生抵抗はシート抵抗にして10Ω/□前後であり、特に最大発信周波数は20GHzに留まっていた。本実施形態のアルミニウム置換技術により、ゲート寄生抵抗をシート抵抗にして0.2Ω/□と従来の1/50に低減することができる。これにより、最大発信周波数は50GHzと格段に向上する。従来の構造では、2GHzが使用周波数の限界であったが、本実施形態により5GHz帯における各無線装置に適用することが可能となる。 Conventionally, since the gate electrode is made of polycide, the gate parasitic resistance is about 10Ω / □ as a sheet resistance, and the maximum transmission frequency is particularly limited to 20 GHz. With the aluminum replacement technique of this embodiment, the gate parasitic resistance can be reduced to 0.2Ω / □, which is a sheet resistance, to 1/50 of the conventional value. Thereby, the maximum transmission frequency is remarkably improved to 50 GHz. In the conventional structure, 2 GHz is the limit of the use frequency, but according to the present embodiment, it can be applied to each wireless device in the 5 GHz band.
以上説明したように、本実施形態によれば、fmaxと電力利得の双方を向上させ、携帯電話や無線LANに代表される高周波電力増幅器の基本素子として、高効率で高周波動作を可能とするLDMOSトランジスタが実現する。 As described above, according to the present embodiment, both f max and power gain are improved, and high-frequency operation is enabled with high efficiency as a basic element of a high-frequency power amplifier typified by a mobile phone or a wireless LAN. An LDMOS transistor is realized.
(第2の実施形態)
ここでは、第1の実施形態と同様にLDMOSトランジスタの構成及びその製造方法を開示するが、更にシールド層を製造工程を増加することなく形成する点で相違する。
(Second Embodiment)
Here, the configuration of the LDMOS transistor and the manufacturing method thereof are disclosed in the same manner as in the first embodiment, but it is different in that the shield layer is further formed without increasing the manufacturing process.
図4及び図5は、第2の実施形態によるLDMOSトランジスタの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図4(a)に示すように、p-/p+/p-型のシリコン半導体基板1上に所定のフォトマスク(不図示)を形成し、これをマスクとして半導体基板1の表層にp型不純物、ここではホウ素(B)を加速エネルギー60keV、ドーズ量2×1015/cm2の条件でイオン注入し、前記フォトマスクを灰化処理等により除去した後、半導体基板1に1100℃で30分間の熱処理を加えることにより、基板コンタクト層2を形成する。
4 and 5 are schematic cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the LDMOS transistor according to the second embodiment in the order of steps.
First, as shown in FIG. 4A, a predetermined photomask (not shown) is formed on a p − / p + / p − type
続いて、図4(b)に示すように、熱酸化法により半導体基板1の表面に膜厚10nm程度のゲート絶縁膜3を形成する。引き続き、シリコン半導体基板1上に所定のフォトマスク(不図示)を形成し、半導体基板1の表層にn型不純物、ここではリン(P)を加速エネルギー120keV、ドーズ量2×1015/cm2の条件でイオン注入し、前記フォトマスクを灰化処理等により除去した後、1000℃で30分間の熱処理を半導体基板1に加えることにより、n+ドレインコンタクト層5を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 4B, a
続いて、シリコン半導体基板1上に所定のフォトマスク(不図示)を形成し、半導体基板1の表層にn型不純物、ここではリン(P)を加速エネルギー60keV、ドーズ量3×1012/cm2の条件でイオン注入し、前記フォトマスクを灰化処理等により除去した後、950℃で30分間の熱処理を半導体基板1に加えることにより、nードリフト層8を形成する。
Subsequently, a predetermined photomask (not shown) is formed on the
続いて、図4(c)に示すように、CVD法により多結晶シリコン膜4を堆積し、フォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより多結晶シリコン膜4及びこれと隣接する多結晶シリコン膜31を同時形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 4C, a
引き続き、シリコン半導体基板1上に所定のフォトマスク(不図示)を形成し、多結晶シリコン膜4の片側のみにおける半導体基板1の表層にp型不純物、ここではホウ素(B)を加速エネルギー30keV、ドーズ量2×1013/cm2の条件でイオン注入し、前記フォトマスクを灰化処理等により除去した後、半導体基板1に1000℃で30分間の熱処理を加えることにより、p-チャネル拡散層6を形成する。
Subsequently, a predetermined photomask (not shown) is formed on the
続いて、図4(d)に示すように、シリコン半導体基板1上に所定のフォトマスク(不図示)を形成し、半導体基板1の表層にn型不純物、ここでは砒素(As)を加速エネルギー30keV、ドーズ量3×1015/cm2の条件でイオン注入し、前記フォトマスクを灰化処理等により除去した後、900℃で30分間の熱処理を半導体基板1に加えることにより、n+ソース拡散層7を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 4D, a predetermined photomask (not shown) is formed on the
続いて、図4(e)に示すように、半導体基板1上に多結晶シリコン膜4,31を覆うように、CVD法によりシリコン酸化膜を膜厚600nm程度に堆積し、層間絶縁膜9を形成する。このとき、層間絶縁膜9の多結晶シリコン膜4,31の上部に相当する部分が他の部分より200nm程度盛り上がる。
Subsequently, as shown in FIG. 4E, a silicon oxide film is deposited to a thickness of about 600 nm by the CVD method so as to cover the
続いて、図4(f)に示すように、層間絶縁膜9の表面を多結晶シリコン膜4,31の上面が露出するまで化学機械研磨(CMP)法により研磨する。通常、多結晶シリコン膜とアルミニウムとを反応させる部分の絶縁膜を取り除くときには、フォトエッチングを用いるのが一般的である。その場合、フォトリソグラフィーの位置合わせズレにより多結晶シリコン膜の上部以外の絶縁膜がエッチングされてしまい、良好なデバイス構造が得られない。本実施形態では、上述のようにCMP法を用いることにより、フォトエッチングを要することなく自己整合的に多結晶シリコン膜4,31の上面を露出させることができる。なお、CMP法の替わりに、層間絶縁膜9の多結晶シリコン膜4,31の上部に相当する部位を一様にエッチングする方法を用いても良い。
Subsequently, as shown in FIG. 4F, the surface of the
続いて、図5(a)に示すように、層間絶縁膜9にフォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングを施し、n+ドレインコンタクト層5の表面の一部を露出させるドレインコンタクト孔10と、n+ソース拡散層7の表面の一部及び基板コンタクト層2の表面の一部を露出させるソースコンタクト孔11をそれぞれ形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 5 (a), subjected to photolithography and the subsequent dry etching the
引き続き、ドレインコンタクト孔10の内壁面及びソースコンタクト孔11の内壁面を覆うように、層間絶縁膜9上にTiN膜を成膜し、下地膜(バリアメタル膜)12を形成する。
Subsequently, a TiN film is formed on the
ここで従来より、バリアメタル膜はコンタクト孔の部分でアルミニウムとシリコンとの反応を防止するバリアメタルとして広く用いられている。しかしながら本実施形態では、後述するように多結晶シリコンをアルミニウムに置換する部分ではバリアメタル膜が障害となる。そこで、図5(b)に示すように、バリアメタル膜12にフォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングを施し、バリアメタル膜12の多結晶シリコン膜4,31の上面に相当する部位を除去し、当該上面のみを露出させる開孔34を形成する。
Heretofore, the barrier metal film has been widely used as a barrier metal for preventing the reaction between aluminum and silicon at the contact hole. However, in this embodiment, as will be described later, the barrier metal film becomes an obstacle at the portion where polycrystalline silicon is replaced with aluminum. Therefore, as shown in FIG. 5B, the
続いて、図5(c)に示すように、スパッタ法により全面にAl膜14を膜厚1000nm程度に形成する。このとき、開孔34のみにおいて多結晶シリコン膜4,31とAl膜14とがそれぞれ直接接触することになる。そして、450℃で60分間の熱処理により、多結晶シリコン膜4,31とAl膜14とを置換反応させる。これにより、多結晶シリコン膜4,31が吸い出されると共に、層間絶縁膜9の多結晶シリコン膜4,31の形成部位にAlが侵入し、多結晶シリコン膜4,31がAl膜20にそれぞれ置き換わる。このように、多結晶シリコン膜4,31に相当する部分のみのバリアメタル膜12を除去することにより、他の部分には置換反応が惹起されることなくゲート部分のみに多結晶シリコンとアルミニウムとの置換反応が惹起される。
Subsequently, as shown in FIG. 5C, an
続いて、図5(d)に示すように、Al膜14及びバリアメタル膜12をフォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングによりパターニングし、バリアメタル膜12を介してドレインコンタクト孔10を埋め込むオーバーハング形状のドレイン電極21と、バリアメタル膜12を介してソースコンタクト孔11を埋め込むオーバーハング形状のソース電極22と、Al膜20と上部電極15とが接続された全てAlからなるオーバーハング形状のゲート電極23と、Al膜20と上部層32とが接続された全てAlからなるオーバーハング形状のシールド層33とをそれぞれ同時形成する。ここで、トランジスタのレイアウト上、ゲート電極23とドレイン電極21との距離はゲート電極23とソース電極22との距離よりも大きいため、ゲート電極23の上部電極15を、図示のようにドレイン電極21側に偏って延在する非対称形状に形成する。このように、上記の置換反応に用いたAl膜14をそのまま残して各種電極に用いるため、製造プロセスが極めて容易となり、製造コストの低減にもつながる。
Subsequently, as shown in FIG. 5D, the
しかる後、電極保護膜やボンディング部(共に不図示)等の形成を経て、本実施形態のLDMOSトランジスタを完成させる。 Thereafter, an LDMOS transistor of this embodiment is completed through formation of an electrode protective film, a bonding portion (both not shown), and the like.
このように、本実施形態では、ゲート電極のパターンのほかにゲート電極とドレイン電極の間に更にシールド電極のパターンをフォトマスク内に設けることにより、全く工程を追加せずにシールド層33を形成することができる。
As described above, in this embodiment, in addition to the gate electrode pattern, the
以上説明したように、本実施形態によれば、fmaxと電力利得の双方を向上させ、携帯電話や無線LANに代表される高周波電力増幅器の基本素子として、シールド層の配設により高効率で更なる高周波動作を可能とするLDMOSトランジスタが実現する。 As described above, according to the present embodiment, both f max and power gain are improved, and as a basic element of a high-frequency power amplifier typified by a mobile phone or a wireless LAN, the shield layer is provided with high efficiency. An LDMOS transistor capable of further high-frequency operation is realized.
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.
(付記1)半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側における前記半導体基板の表層に形成されてなる一対の不純物拡散層と、
前記ゲート電極と一方の前記不純物拡散層との間における前記半導体基板の表層に、前記不純物拡散層と同一の導電型として形成されてなるドリフト層と、
を含み、
前記ゲート電極は、アルミニウムを含む金属を材料としてオーバーハング形状に形成されてなることを特徴とする半導体装置。
(Appendix 1) a semiconductor substrate;
A gate electrode formed above the semiconductor substrate;
A pair of impurity diffusion layers formed on the surface layer of the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode;
A drift layer formed on the surface layer of the semiconductor substrate between the gate electrode and one of the impurity diffusion layers and having the same conductivity type as the impurity diffusion layer;
Including
The semiconductor device, wherein the gate electrode is formed in an overhang shape using a metal containing aluminum as a material.
(付記2)前記ゲート電極は、その上部が他方の前記一方の前記不純物拡散層側に偏って延在する非対称形状とされてなることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Supplementary note 2) The semiconductor device according to
(付記3)前記半導体基板の上方に、前記各不純物拡散層と接続されるように形成された一対の電極を含み、
前記各電極は、前記ゲート電極と同一材料からなることを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(Appendix 3) A pair of electrodes formed so as to be connected to the respective impurity diffusion layers above the semiconductor substrate,
The semiconductor device according to
(付記4)
前記ゲート電極及び前記各電極は、前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜にその下部を埋設するように形成されており、
前記各電極は、前記層間絶縁膜との間に金属下地膜を介して形成されるとともに、前記ゲート電極は、前記層間絶縁膜と直接に接するように形成されていることを特徴とする付記3に記載の半導体装置。
(Appendix 4)
The gate electrode and each electrode are formed so as to bury the lower part in an interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate,
Each electrode is formed between the interlayer insulating film and a metal base film, and the gate electrode is formed so as to be in direct contact with the interlayer insulating film. A semiconductor device according to 1.
(付記5)前記ゲート電極と一方の前記電極との間に、両者を隔てるように前記ゲート電極と同一材料により形成されてなるシールド層を含むことを特徴とする付記3又は4に記載の半導体装置。
(Additional remark 5) The semiconductor of
(付記6)半導体基板上にゲート絶縁膜を介して電極形状の多結晶シリコン膜を形成する工程と、
前記半導体基板に表層に不純物を導入して、一対の不純物拡散層及びドリフト層をそれぞれ形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜を覆うように、前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜の表層を除去して前記多結晶シリコン膜の上面を露出させる工程と、
前記各不純物拡散層の表面の一部をそれぞれ露出させるように、前記層間絶縁膜に開孔を形成する工程と、
前記各開孔を埋め込むように、前記層間絶縁膜上にアルミニウムを含む金属膜を形成する工程と、
多結晶シリコンとアルミニウムとを選択的に置換反応させ、前記層間絶縁膜内の前記多結晶シリコン膜の形成部位を前記金属膜の材料で充填する工程と、
前記金属膜を加工して、前記各不純物拡散層とそれぞれ接続されてなる一対の電極と、前記金属膜の材料で一体形成されてなるゲート電極とをそれぞれ形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 6) A step of forming an electrode-shaped polycrystalline silicon film on a semiconductor substrate via a gate insulating film;
Introducing impurities into a surface layer of the semiconductor substrate to form a pair of impurity diffusion layers and a drift layer,
Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the polycrystalline silicon film;
Removing the surface layer of the interlayer insulating film to expose the upper surface of the polycrystalline silicon film;
Forming an opening in the interlayer insulating film so as to expose a part of the surface of each impurity diffusion layer;
Forming a metal film containing aluminum on the interlayer insulating film so as to embed each opening;
A step of selectively substituting polycrystalline silicon and aluminum, and filling the formation site of the polycrystalline silicon film in the interlayer insulating film with the material of the metal film;
Processing the metal film to form a pair of electrodes respectively connected to the impurity diffusion layers and a gate electrode formed integrally with the material of the metal film. A method for manufacturing a semiconductor device.
(付記7)前記各開孔を形成した後、前記金属膜を形成する前に、前記各開孔の内壁面を覆うように前記層間絶縁膜上に下地膜を形成する工程と、
前記下地膜の前記多結晶シリコン膜上に相当する部位のみを除去し、前記多結晶シリコン膜の上面を露出させる工程と
を更に含むことを特徴とする付記6に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 7) A step of forming a base film on the interlayer insulating film so as to cover an inner wall surface of each opening after forming each opening and before forming the metal film;
The method of manufacturing a semiconductor device according to
(付記8)前記金属膜を加工する際に、少なくとも前記ゲート電極をオーバーハング形状に形成することを特徴とする付記6又は7に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary note 8) The method for manufacturing a semiconductor device according to
(付記9)前記金属膜を加工する際に、前記ゲート電極をその上部が他方の前記一方の前記不純物拡散層側に偏って延在する非対称形状に形成することを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary note 9) The
(付記10)前記金属膜を加工する際に、前記ゲート電極となる部位と一方の前記電極となる部位との間に、両者を隔てるシールド層を前記ゲート電極及び前記各電極と共に形成することを特徴とする付記6〜9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 10) When processing the said metal film, forming between the site | part used as the said gate electrode and the site | part used as the one said electrode together with the said gate electrode and each said electrode which forms both 10. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of
(付記11)前記多結晶シリコン膜を形成する際に、前記多結晶シリコン膜とともに、半導体基板上で当該多結晶シリコン膜と隣接する他の多結晶シリコン膜を形成し、
前記置換反応の際に、前記層間絶縁膜内の前記多結晶シリコン膜の形成部位とともに前記他の多結晶シリコン膜の形成部位をそれぞれ前記金属膜の材料で置換し、
前記金属膜を加工する際に、前記一対の電極及び前記ゲート電極とともに、前記金属膜の材料で一体形成されてなる前記シールド層を形成することを特徴とする付記10に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 11) When forming the polycrystalline silicon film, together with the polycrystalline silicon film, another polycrystalline silicon film adjacent to the polycrystalline silicon film is formed on a semiconductor substrate,
In the substitution reaction, the formation part of the polycrystalline silicon film in the interlayer insulating film and the formation part of the other polycrystalline silicon film are respectively replaced with the material of the metal film,
11. The manufacturing method of a semiconductor device according to
1 シリコン半導体基板
2 基板コンタクト層
3 ゲート絶縁膜
4,31 多結晶シリコン膜
5 n+ドレインコンタクト層
6 p-チャネル拡散層
7 n+ソース拡散層
8 nードリフト層
9 層間絶縁膜
10 ドレインコンタクト孔
11 ソースコンタクト孔
12 下地膜(バリアメタル膜)
13,34 開孔
14,20 Al膜
15 上部電極
21 ドレイン電極
22 ソース電極
23 ゲート電極
32 上部層
33 シールド層
1
13, 34
Claims (10)
前記半導体基板の上方に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側における前記半導体基板の表層に形成されてなる一対の不純物拡散層と、
前記ゲート電極と一方の前記不純物拡散層との間における前記半導体基板の表層に、前記不純物拡散層と同一の導電型として形成されてなるドリフト層と、
を含み、
前記ゲート電極は、アルミニウムを含む金属を材料としてオーバーハング形状に形成されてなることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A gate electrode formed above the semiconductor substrate;
A pair of impurity diffusion layers formed on the surface layer of the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode;
A drift layer formed on the surface layer of the semiconductor substrate between the gate electrode and one of the impurity diffusion layers and having the same conductivity type as the impurity diffusion layer;
Including
The semiconductor device, wherein the gate electrode is formed in an overhang shape using a metal containing aluminum as a material.
前記各電極は、前記ゲート電極と同一材料からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 A pair of electrodes formed to be connected to each of the impurity diffusion layers above the semiconductor substrate;
The semiconductor device according to claim 1, wherein each of the electrodes is made of the same material as the gate electrode.
前記各電極は、前記層間絶縁膜との間に金属下地膜を介して形成されるとともに、前記ゲート電極は、前記層間絶縁膜と直接に接するように形成されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The gate electrode and each electrode are formed so as to bury the lower part in an interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate,
The electrode is formed between the interlayer insulating film and a metal base film, and the gate electrode is formed to be in direct contact with the interlayer insulating film. 3. The semiconductor device according to 3.
前記半導体基板に表層に不純物を導入して、一対の不純物拡散層及びドリフト層をそれぞれ形成する工程と、
前記多結晶シリコン膜を覆うように、前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜の表層を除去して前記多結晶シリコン膜の上面を露出させる工程と、
前記各不純物拡散層の表面の一部をそれぞれ露出させるように、前記層間絶縁膜に開孔を形成する工程と、
前記各開孔を埋め込むように、前記層間絶縁膜上にアルミニウムを含む金属膜を形成する工程と、
多結晶シリコンとアルミニウムとを選択的に置換反応させ、前記層間絶縁膜内の前記多結晶シリコン膜の形成部位を前記金属膜の材料で充填する工程と、
前記金属膜を加工して、前記各不純物拡散層とそれぞれ接続されてなる一対の電極と、 前記金属膜の材料で一体形成されてなるゲート電極とをそれぞれ形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an electrode-shaped polycrystalline silicon film on a semiconductor substrate via a gate insulating film;
Introducing impurities into a surface layer of the semiconductor substrate to form a pair of impurity diffusion layers and a drift layer,
Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the polycrystalline silicon film;
Removing the surface layer of the interlayer insulating film to expose the upper surface of the polycrystalline silicon film;
Forming an opening in the interlayer insulating film so as to expose a part of the surface of each impurity diffusion layer;
Forming a metal film containing aluminum on the interlayer insulating film so as to embed each opening;
A step of selectively substituting polycrystalline silicon and aluminum, and filling the formation site of the polycrystalline silicon film in the interlayer insulating film with the material of the metal film;
Processing the metal film to form a pair of electrodes respectively connected to the impurity diffusion layers and a gate electrode formed integrally with the material of the metal film. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記下地膜の前記多結晶シリコン膜上に相当する部位のみを除去し、前記多結晶シリコン膜の上面を露出させる工程と
を更に含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 Forming a base film on the interlayer insulating film so as to cover an inner wall surface of each opening after forming each opening and before forming the metal film;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, further comprising: removing only a portion of the base film corresponding to the polycrystalline silicon film to expose an upper surface of the polycrystalline silicon film. .
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